7. Baterías para Almacenamiento de Energía

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1 7. Baterías para Almacenamiento de Energía Una batería es un sistema de almacenamiento de energía empleando procedimientos electroquímicos y que tiene la capacidad de devolver dicha energía posteriormente casi en su totalidad, ciclo que puede repetirse un determinado número de veces. La unidad básica de una batería se denomina celda, reservándose el nombre batería a la unión de dos o más celdas conectadas en serie, en paralelo o en ambas formas para conseguir la capacidad y la tensión deseada. La celda está formada por los siguientes componentes: electrodos (cátodo (+) y ánodo ( )), electrolito (sustancia que contiene iones en su composición orbitando libremente, lo que le ayuda a comportarse como un conductor eléctrico) y separadores (para realizar una separación de los componentes de su interior). La energía eléctrica es almacenada o liberada mediante reacciones electroquímicas que transportan electrones entre electrodos, que se encuentran interiormente conectados por un electrolito (soluciones líquidas, polímeros conductores sólidos, gel), para llevar cabo reacciones específicas de reducción/oxidación. Frecuentemente se utilizan catalizadores para acelerar las tasas de reacción a niveles aceptables. El principio de funcionamiento de una batería está basado básicamente en un proceso reversible llamado reducción-oxidación, donde uno de los componentes se oxida (pierde electrones) y el otro componente se reduce (gana electrones). Por lo tanto, se trata de un proceso en el que los componentes no se consumen, sino que únicamente cambian su estado de oxidación; por otro lado, dichos componentes pueden retornar a su estado original en las circunstancias adecuadas. Estas circunstancias son el cierre del circuito externo durante el proceso de descarga y la aplicación de una corriente externa durante el proceso de carga. La capacidad de una celda es la cantidad total de electricidad producida en la reacción electroquímica, la cual se suele medir en amperios-hora (Ah). Se define como capacidad teórica al producto del número de moles que intervienen en la reacción completa de descarga (x), del número de electrones que intervienen en la reacción (n) y del número de Faraday (F = C). Sin embargo, la capacidad real de la batería siempre resulta inferior a la capacidad teórica puesto que la utilización de los materiales activos nunca llega a ser del 100%. En la práctica, la capacidad de una batería se calcula descargando dicha celda a una intensidad determinada hasta alcanzar un valor especificado de la tensión en bornes que se denomina tensión de corte. De esta forma, el valor de la capacidad es el producto de dicha intensidad de descarga (A) y la duración de la descarga (horas). Por este motivo, la capacidad de la batería se mide en miliamperios-hora (mah) o en amperios-hora (Ah). Antonio Hernández Romero 45

2 Los ciclos de carga/descarga definirán la vida útil de las baterías. A medida que una batería es descargada y cargada, su capacidad sufre alteraciones, de manera que, tras un cierto número de ciclos, la batería pierde calidad y no consigue completar con éxito las reacciones químicas. La carga en exceso puede también ser perjudicial para su vida útil. Las baterías también sufren un efecto denominado como auto-descarga cuando no se utilicen puesto que, a pesar de que no se empleen, la energía almacenada en su interior irá disminuyendo progresivamente con el paso del tiempo de forma espontánea. Otro de los efectos que sufren las baterías es el llamado efecto memoria. Consiste en un fenómeno que reduce la capacidad de la batería con cargas incompletas. Se produce cuando se realiza la carga de una batería sin llegar a haber sido descargada del todo, lo que genera la creación de una especie de cristales en el interior que va a debilitar los electrodos y hace que la batería pierda parte de su capacidad real. Existe una gran variedad de baterías para el almacenamiento de energía eléctrica. En el presente apartado se realizará una breve descripción de las cinco tecnologías que se utilizan con más frecuencia en aplicaciones de alta potencia actualmente, estudiando sobretodo sus principales parámetros como son capacidad y precio Batería de Ión-Litio Las baterías de ión-litio están compuestas por un cátodo construido por óxido metálico de litio (Li x CoO 2, LiNiO 2, LiMnO 4 ) y por un ánodo construido por material de carbono (Li x C 6 ), donde el electrolito está formado por sustancias que contienen también litio tal y como LiPF 6, LiAsF 6. Durante el proceso de carga, los átomos de litio existentes en el cátodo se transforman en iones que son conducidos hasta el ánodo de carbono a través del electrolito, donde se combinan con los electrones externos hasta quedar depositados como átomos de litio en el interior de las capas del ánodo carbono. Durante la descarga, el proceso que ocurre es el inverso. La Figura 7.1 [26] muestra el esquema de funcionamiento de esta tecnología. Las características principales que presentan este tipo de baterías son las que se indican a continuación: - Alta Densidad de Energía: kwh/m 3 - Alto Rendimiento: 94% - Largo Ciclo de Vida: 4500 ciclos - Mínimo Estado de Carga: 10% Antonio Hernández Romero 46

3 Figura 7.1. Funcionamiento de una batería de ión litio. Debido a estas características, las baterías de litio son las más empleadas en artículos de electrónica de consumo. En la industria del coche eléctrico, estas baterías parten con una posición ventajosa frente al resto de tecnologías, lo cual supone un factor destacable ya que está previsto un importante desarrollo tecnológico a corto y medio plazo en esta industria. Sin embargo, estas baterías presentan la necesidad de tener empaquetamiento especial y un circuito interno de protección ante sobrecargas, lo cual hace que se eleve el coste de inversión en torno a 530 /kwh, donde los costes de operación y mantenimiento se encuentran cercanos a 3 /kwh. En cualquier caso, es de esperar que se produzca una reducción en el coste de inversión a medida que avance su desarrollo tecnológico. Entre los principales fabricantes de esta tecnología destacamos a J & A Electronics (China), el cual cuenta con más de 10 años de experiencia. Entre sus productos están las baterías de ión-litio, las baterías de polímero de litio y las baterías de LiFePO 4, de alta tasa de polímero de descarga ión-litio. Otro de los principales fabricantes a destacar es Shenzhen Napel Power Tech, creado en 2003 y que se encarga de la fabricación de las baterías de ión-litio, así como baterías VRLA y SLA (plomo-ácido), baterías de plomoácido común y baterías GEL. Antonio Hernández Romero 47

4 Tabla 3. Características de una batería de ión litio [22] [23]. Densidad de Energía 10,8 14,40 MJ/m 3 Rango de Energía MJ Rango de Potencia 0,1 10 MW Tiempo de Carga y Descarga Horas Minutos Ciclos de Carga/Descarga 4500 ciclos Rendimiento 94 % Mínimo Estado de Carga 10 % Coste de Instalación 530 /kwh Coste de Mantenimiento al Año 3 /kwh Uno de los proyectos más actuales que incluyen la utilización de este tipo de tecnología es el denominado Proyecto Almacena, desarrollado por Red Eléctrica. Este proyecto consiste en la instalación de un sistema de almacenamiento de energía a través de una batería prismática de ión-litio, con una potencia de en torno a 1 MW y una capacidad de al menos 3 MWh, con el objetivo de evaluar las capacidades y las características técnicas que presenta actualmente este tipo de instalaciones como herramienta para mejorar la eficiencia de la operación de los sistemas eléctricos. El sistema de almacenamiento fue instalado a finales del año 2013 en la subestación de Carmona 400/220kV y está formado por el equipo de almacenamiento electroquímico, el sistema convertidor, los sistemas de comunicación y control, así como una aplicación de usuario. El sistema de almacenamiento se ha instalado en el interior de un contenedor de 16 metros de largo que contiene 30 racks de celdas prismáticas de ión-litio, lo que se puede contemplar en la Figura 7.2 [27]. Figura 7.2. Batería de ión-litio empleada en el Proyecto Almacena de REE. Antonio Hernández Romero 48

5 7.2. Batería de Plomo-Ácido Las baterías de plomo-ácido están compuestas por dos tipos de electrodos de plomo que se encuentran en forma de sulfato de plomo II (PbSO 4 ) si el sistema está descargado, los cuales se encuentran incrustados en una matriz de plomo metálico (Pb). El electrólito es una disolución de ácido sulfúrico en agua. La Figura 7.3 muestra el funcionamiento de una batería de plomo-ácido [29]. Figura 7.3. Funcionamiento de una batería de plomo-ácido. Durante la descarga de la batería, la corriente generada causa un cambio de condición a través de la reacción que hace que el bióxido de plomo (PbO 2 ) de la placa positiva, al combinarse con el ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ), forme sulfato de plomo (PbSO 4 ) y hace que el oxígeno liberado del bióxido de plomo, al combinarse con el hidrógeno liberado del ácido sulfúrico forme agua (H 2 O). El plomo (Pb) de la placa negativa se combina con el ácido sulfúrico formando sulfato de plomo (PbSO 4 ). En consecuencia, la densidad del electrólito disminuye como lo hace la tensión, hasta agotarse la reserva energética. Cuando el acumulador se carga, la materia activa de la placa positiva está constituida por dióxido de plomo (PbO 2 ) y la materia activa de la placa negativa está constituida por plomo metálico en estado esponjoso (Pb). El electrólito en este caso es una solución de ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ) y agua (H 2 O). Durante la carga, la corriente recibida provoca la reacción inversa a la de descarga, regresando así a la condición inicial de dióxido de plomo en la placa positiva, plomo esponjoso en la placa negativa y ácido sulfúrico en el electrólito aumentando su densidad. La tensión de la batería aumenta hasta un valor que genera la separación del hidrógeno y oxígeno liberado de la placa positiva y negativa. Antonio Hernández Romero 49

6 Las reacciones que tienen lugar son las que se muestran a continuación. De izquierda a derecha se muestra las reacciones que tienen lugar en el acumulador durante la carga y de derecha a izquierda se muestra las reacciones que tienen lugar en la descarga. ACUMULADOR DESCARGADO ACUMULADOR CARGADO PbSO PbSO4 + H 2O PbO2 + Pb 2H 2SO4 (placa +) (placa -) (placa +) (placa -) Las baterías de plomo-ácido son las más maduras comercialmente a nivel mundial. En consecuencia, presentan un mayor desarrollo tecnológico y un menor coste de inversión. Sin embargo, esta tecnología presenta algunos inconvenientes como la necesidad de unos complejos requisitos de mantenimiento, así como que la energía que pueden descargar no es fija, sino que depende del mínimo estado de carga admisible por cada batería. Las baterías avanzadas de plomo-ácido están consiguiendo paliar estos inconvenientes con el objetivo de aplicarlas en sistemas para la integración de energías renovables en el sistema eléctrico. Alcanzan un rendimiento del 90%, con un estado mínimo de carga del 20%. Su costes de adquisición ascienden a unos 360 /kwh, mientras que sus costes de operación y mantenimiento están en torno a 2 /kwh. Se encuentran todavía en fase de desarrollo. Entre los principales fabricantes de esta tecnología destacamos a Yuasa Battery, el cual se centra en la fabricación de baterías para uso industrial, telecomunicaciones, UPS y otras aplicaciones de gran potencia. Otro de los principales fabricantes a destacar es Exide Technologies, el cual fabrica una gran variedad de baterías para aplicaciones de potencia con capacidades de entre 50 y 5000 Ah y una vida útil de 25 años. Tabla 4. Características de una batería de plomo-ácido [22] [23]. Densidad de Energía MJ/m 3 Rango de Energía MJ Rango de Potencia 0,1 10 MW Tiempo de Carga y Descarga Horas Minutos Ciclos de Carga/Descarga 2500 ciclos Rendimiento 90 % Mínimo Estado de Carga 20 % Coste de Instalación 360 /kwh Coste de Mantenimiento al Año 2 /kwh Antonio Hernández Romero 50

7 Uno de los proyectos más actuales que incluyen la utilización de este tipo de tecnología es el llevado a cabo por la empresa Duke energy Reneables, en el que instaló 36 MW de almacenamiento de energía y su correspondiente sistema de control en la planta eólica Notrees en el oeste de Texas (EEUU) como se puede apreciar en la Figura 7.4 [30]. Dicho sistema estuvo operativo por completo en el mes de diciembre de Figura 7.4. Sistema de almacenamiento con baterías de plomo-ácido en Texas Batería de Sodio-Sulfuro Los materiales activos en este tipo de baterías son el azufre fundido como cátodo y el sodio fundido como ánodo. Dichos electrodos se encuentran separados por un material cerámico en estado sólido que sirve de electrolito, a través de éste pasan únicamente los iones de sodio con carga positiva. La Figura 7.5 muestra las partes de una batería como la descrita [31]. Figura 7.5. Partes de una batería de sodio-sulfuro. Antonio Hernández Romero 51

8 Durante la descarga los electrones salen del sodio metal, dando lugar a la formación de iones de sodio con carga positiva que pasan a través del cerámico al electrodo positivo. Los electrones que salen del sodio metal se mueven a través del circuito y vuelven de nuevo a la batería a través del electrodo positivo, donde son absorbidos por el azufre fundido para formar polisulfuro. Los iones de sodio con carga positiva desplazados al electrodo positivo equilibran el flujo de carga de los electrones. Durante la carga, el proceso es el inverso del descrito. Este funcionamiento se muestra en la Figura 7.6 [32]. Figura 7.6. Funcionamiento de una batería de sodio-sulfuro. Estas baterías necesitan un aporte de calor para mantenerse a temperaturas superiores a 300ºC, lo cual supone que los sistemas encargados de aportar este calor se consideran parte integrante de la propia batería. Tienen un estado mínimo de carga del 10%, con un rendimiento del 80 %, y con un total de 4500 ciclos equivalentes como vida útil. Sus costes de adquisición están en los 285 /kwh y los costes de operación y mantenimiento están en torno a los 3 /kwh. Cabe destacar que esta tecnología aún se encuentra en una fase de desarrollo. Empresas japonesas como TEPCO y NGK Insulators llevan 25 años desarrollando esta tecnología. Actualmente el único fabricante de este tipo de baterías es la empresa NSK Insulators, de manera que no existen muchas instalaciones que utilicen esta tecnología por ahora. La mayor instalación de baterías de sodio sulfura se encuentra actualmente en un parque eólico de 51 MW en Japón, la cual tiene una capacidad de 12 MWh (2MW en 6 horas), la cual se muestra en la Figura 7.7 [32]. Antonio Hernández Romero 52

9 Tabla 5. Características de una batería de sodio-sulfuro [22] [23]. Densidad de Energía 540 MJ/m 3 Rango de Energía 172, MJ Rango de Potencia 0,1 10 MW Tiempo de Carga y Descarga Horas Ciclos de Carga/Descarga ciclos Rendimiento 80 % Mínimo Estado de Carga 10 % Coste de Instalación 285 /kwh Coste de Mantenimiento al Año 3 /kwh Figura 7.7. Instalación de 12 MWh de baterías de sodio-sulfuro en Japón Batería de Redox de Vanadio Una batería de flujo es aquella en la que el electrolito, que contiene una o más especies electroactivas, fluye a través de la celda electroquímica que se encarga de convertir la energía química en electricidad. Puede almacenarse más cantidad de electrolito en unos tanques externos y bombearse dentro de los stacks de celdas. Estas baterías se recargan rápidamente sustituyendo el electrolito o revertiendo la reacción redox. Por lo tanto, la capacidad energética del sistema está determinada por el tamaño de los tanques y la potencia por el tamaño del stack, siendo ambos parámetros independientes y escalables. Antonio Hernández Romero 53

10 Las baterías redox de vanadio son las más desarrolladas tecnológicamente dentro de las baterías de flujo. La energía se almacena mediante iones cargados que se encuentran en dos tanques de electrolito separados, de forma que uno de ellos contiene electrolito para las reacciones de electrodo positivo y el otro para las reacciones de electrodo negativo. Estas baterías emplean pares redox de vanadio disueltos en mezclas diluidas de ácido sulfúrico: en el electrodo negativo se encuentra el par V 2+ / V 3+ y en el positivo el par V 4+ /V 5+. La Figura 7.8 muestra este proceso de funcionamiento [33]. Figura 7.8. Funcionamiento de una batería redox de vanadio. Cuando se necesita descargar energía de la batería, el electrolito fluye hacia una celda redox con electrodos generándose la corriente. Esta reacción electroquímica se invierte cuando se aplica una sobretensión, como en las baterías convencionales, permitiendo al sistema efectuar cargas y descargas repetidamente. Los sistemas de baterías redox de vanadio pueden diseñarse para suministrar energía en un rango de tiempo que va desde las 2 horas hasta las 8 horas. Los fabricantes de este tipo de baterías estiman una vida media del sistema de unos 20 años, mientras que la vida media de los electrolitos alcanza los 25 años. Este tipo de baterías redox de vanadio tienen un rendimiento aproximadamente del 90% y pueden llegar a alcanzar una profundidad de descarga del 100%. Su número de ciclos equivalentes a lo largo de la vida útil está alrededor de los ciclos, una cifra muy alta comparada con las baterías estudiadas anteriormente. Sin embargo, los costes de adquisición se sitúan alrededor de los 700 /kwh y los costes de operación y de mantenimiento tienen valores cercanos a los 10 /kwh. Antonio Hernández Romero 54

11 Para proyectos que requieran una capacidad de almacenamiento del orden de los MWh hay que tener en cuenta que el tamaño de los tanques de electrolito necesarios tiende a ser muy grande. Además, debe destacarse que es necesario mantener los electrolitos a 300 ºC para que el proceso pueda desarrollarse correctamente. Tabla 6. Características de una batería redox de vanadio [22] [23]. Densidad de Energía MJ/m 3 Rango de Energía MJ Rango de Potencia 0,1 100 MW Tiempo de Carga y Descarga Horas Ciclos de Carga/Descarga ciclos Rendimiento 90 % Mínimo Estado de Carga 5 % Coste de Instalación 700 /kwh Coste de Mantenimiento al Año 10 /kwh Actualmente esta tecnología, a pesar de estar en pleno desarrollo, se está comenzando a integrar en los llamados sistemas en isla en India, donde se pretende suministrar la energía eléctrica únicamente a través de paneles fotovoltaicos sin necesidad de conexión a la red eléctrica. Este proyecto se puso en marcha en el año La Figura 7.9 muestra el aspecto de los contenedores de las baterías redox de vanadio que se están empleando para dicho objetivo en India, cuya fabricación corre a cargo de la empresa American Vanadium. Figura 7.9. Aspecto de las baterías redox de vanadio utilizadas en India. Antonio Hernández Romero 55

12 7.5. Batería de Redox de Zinc-Bromo Las baterías redox de Zinc-Bromo son otro tipo de baterías de flujo, tal y como lo era el anterior tipo de batería estudiado. En la Figura 7.10 se muestra cómo funciona este tipo de sistemas de almacenamiento de energía. Figura Funcionamiento de una batería redox de zinc-bromo. En cada celda de una batería de zinc-bromo fluyen dos electrolitos diferentes a través de electrodos en dos comportamientos separados por una membrana porosa. Durante el proceso de descarga, el zinc se carga positivamente (Zn 2+ ) y el bromo pasa a ser bromuro (Br - ), del cual se obtiene el bromuro de zinc (ZnBr 2 ). El proceso químico que se utiliza para generar esta corriente eléctrica incrementa las concentraciones de iones cargados tanto de zinc como de bromuro en ambos tanques de electrolito. Durante el proceso de carga, el zinc se deposita en una fina capa al lado del electrodo, mientras que el bromo se desprende como una solución diluida al otro lado de la membrana, reaccionando con los otros compuestos en solución (aminas) para formar un compuesto denso y viscoso que precipita al fondo del tanque. Antonio Hernández Romero 56

13 Las baterías redox zinc-bromo están menos desarrolladas tecnológicamente que las de vanadio. Se caracterizan por presentar un rendimiento alrededor del 75% y una vida útil de ciclos equivalentes al 90% de descarga máxima. El coste de operación se sitúa en torno a los 385 /kwh y el coste de mantenimiento alrededor de los 13 /kwh. Entre los principales fabricantes de esta tecnología destacamos a RedFlow, el cual se centra en la fabricación de baterías de flujo de zinc-bromuro cuyas características son la capacidad de carga/descarga profundas diarias, ideal para el almacenamiento y traslado de las energías renovables intermitentes, para gestionar picos de carga en la red y para el apoyo fuera de la red sistemas de energía (tipo "isla"). Tabla 7. Características de una batería redox de zinc-bromo [22] [23]. Densidad de Energía MJ/m 3 Rango de Energía MJ Rango de Potencia 0,1 100 MW Tiempo de Carga y Descarga Horas Ciclos de Carga/Descarga ciclos Rendimiento 75 % Mínimo Estado de Carga 10 % Coste de Instalación 385 /kwh Coste de Mantenimiento al Año 13 /kwh En el mes de febrero de 2016, Jofemar Energy, la división de la Corporación Jofemar especializada en eficiencia y almacenamiento energético, ha concluido el proyecto Flow Grid, que comenzó en 2012, con la presentación de la primera versión de sus baterías de flujo Zn-Br de 10 y 60 kwh. Se trata de un proyecto de investigación y desarrollo cuyo objetivo era desarrollar las baterías de flujo redox Zn-Br para almacenamiento energético y su posterior integración en Smart-Grids y aplicaciones estacionarias. Las baterías que fabrica Jofemar Energy son sistemas de almacenamiento energético que actúan como estabilizadores de la red, garantizando la calidad y la fiabilidad en el suministro y proporcionando un soporte a la operación de la red. Además, pueden evitar problemas de sobrecargas y compensar la variabilidad de los recursos renovables y su integración en la red. Con un coste estimado de 200 /kwh, son totalmente configurables y adaptables a la demanda o especificaciones de los clientes, reciclables y favorables medioambientalmente, además de fácilmente integrables en el entorno. Son baterías de bajo coste y emplean materiales reciclables y respetuosos con el medioambiente. Puede verse el aspecto que presentan estos módulos en la Figura 7.11 [36]. Antonio Hernández Romero 57

14 Figura Módulos de batería de flujo de zinc-bromo de Jofemar Energy Resumen Características de Distintas Tecnologías de Baterías Se ha estudiado hasta cinco tipos de tecnologías para el almacenamiento de energía en forma de baterías, cada una de las cuales presentan unas determinadas características de uso y unos costes de instalación y mantenimiento diferentes. Todas estas características se recogen en una sola tabla en la que poder realizar la comparación entre cada una de las tecnologías estudiadas. Tabla 8. Tabla resumen de las características de las baterías estudiadas. Ión-Litio Plomo - Ácido Sodio - Sulfuro Redox Vanadio Redox Zn-Br Densidad de Energía (MJ/m 3 ) 10,8-14, Rango de Energía (MJ) , Rango de Potencia (MW) 0,1 10 0,1 10 0,1 10 0, ,1 100 Tiempo Carga y Descarga H - min H - min Horas Horas Horas Ciclos de Carga/Descarga Rendimiento (%) 94 % 90 % 80 % 90 % 75 % Mínimo Estado de Carga (%) 10 % 20 % 10 % 5 % 10 % Coste de Instalación ( /kwh) Coste Mantenimiento ( /kwh año) Antonio Hernández Romero 58

15 Debemos señalar que el rendimiento que se indica en las tablas del presenta apartado es el correspondiente al producto del rendimiento de carga y descarga de la batería, del rendimiento del inversor y del rectificador (que se consideran integrados en la batería) y del rendimiento del transformador conectado a la red (incluyendo pérdidas en cables). Por otro lado, debemos definir como el mínimo estado de carga aquel estado de carga de la batería por debajo del cual puede sufrir daños estructurales. De esta manera, cuando se realicen en los siguientes apartados los cálculos pertinentes, se tomarán en consideración dichos valores para que el estudio refleje la mayor realidad posible. Antonio Hernández Romero 59